用多种抽放方法解决采煤工作面瓦斯超限问题

　　祁东煤矿地处安徽宿州境内，设计生产能力为150万t/a，是煤与瓦斯突出矿井。井田内二迭纪共含11个煤层组，计30余层煤，其中可采煤层14层，矿井通风方式为中央边界抽出式。矿井采用系统抽放和移动抽放相结合的抽放方式，抽放能力为160m³/min。

 

　　1 工作面概况

 

　　7₁24工作面是祁东煤矿西二采区首采煤层7₁煤层首采工作面，起止标高-540.3m~-590m走向长635m，倾向宽112m，煤层平均厚度2.3m。

 

　　7₁24工作面属煤层群开采，煤系垂向剖面上发育煤层较多。由地质钻孔资料可知：上覆6₂、6₃煤距7₁煤25m、21m，6₂煤厚0.6m，瓦斯含量9.68mL/g，6₃煤厚0.8m，瓦斯含量8.17mL/g。下覆8₁、8₂、9煤距7₁煤层较近，分别为19m、27m、37m左右，其中8₁煤厚2.5m，瓦斯含量12.02mL/g；8₂煤厚2.6m，瓦斯含量8.6mL/g；9煤厚3.0m，瓦斯含量11.52mL/g，且8₁、82、9煤层顶板多为细砂岩为主，围岩透气性中等。7₁煤瓦斯含量9.51mL/g，煤层透气性系数λ＝0.087m²/MPa²·d，粘孔流量衰减系数α＝0.04d^-1，本煤层较难抽放。

 

　　2 工作面瓦斯涌出情况

 

　　（1）掘进期间：运输巷风量270m³/min，瓦斯涌出量为1.6m³/min，回风巷风量276m³/min，瓦斯涌出量为1.8m³/min。

 

　　（2）工作面初次来压之前：工作面形成后，风量678m³/min，绝对瓦斯涌出量为2.0m³/min；而在初采期间，绝对瓦斯涌出量为2.6m³/min，直接顶冒落时瓦斯涌出量为3.196m³/min。

 

　　（3）工作面初次来压后：工作面初次来压时，风量为1 047m³/min，瓦斯涌出量为7.957m³/min，初次来压后，工作面瓦斯涌出量在24m³/min左右。

 

　　（4）周期来压：工作面推进13m时，老顶初次来压，结合工作面推进度、矿压显现和瓦斯涌出曲线分析确定该工作面周期来压步距为12～15m。如图1所示。

 

　　

　　图1 工作面推进度与瓦斯涌出曲线图

 

　　3 工作面冒落带裂隙带高度的测定

 

　　为准确查明7₁24工作面冒落带、裂隙带发育情况，在工作面回风巷施工冒落带、裂隙带探测钻孔。钻孔施工穿过的岩性为灰色泥岩、泥质粉砂岩、煤线、细砂岩。水文地质情况为7₁煤顶板砂岩含裂隙水。探测钻孔布置平面图如图2所示。

 

　　

 

　　图2 探测钻孔布置平面图

 

　　工作面覆岩破坏探测在井下风巷中进行，采用地球物理方法的高密度电法CT成像技术，动态地探测7₁24工作面开采过程中工作面覆岩破坏的发育规律。该方法先期在回风巷向顶板施工一个80m超前探测钻孔，并在孔中埋置检波器和电极，探测中共有布置电极53个，电极距为1.33m。通过对采集数据进行CT反演，获得如下结果：

 

　　（1）探测结果表明，导水裂隙带最大高度在距煤层顶板48m，覆岩冒落带高度为18m

 

　　（2）采动应力超前工作面前方影响距离在33m，煤层覆岩破坏落带超前工作面10m，裂隙带超前工作面20m。

 

　　（3）裂隙带发育具有一定的稳定期和活动期，以工作面日推进5m的速度来看，裂隙带相对活动期在超前应力集中时期，即超前33m左右，在工作面前方20m内裂隙带发育最为剧烈并达最大高度，其后裂隙带进入相对闭合与缓慢下降状态。

 

　　4 多种抽放方法及效果

 

　　7₁24工作面的瓦斯涌出量从掘进期间到回采初次来压、周期来压经历了由小到大的过程，最大涌出量达24m³/min，我们采取移动泵抽放和系统抽放相结合的方式，在工作面风巷安装3趟管路，抽放方法有：高位钻孔抽放、辅助边孔抽放、埋管抽放、立孔埋管抽放。

 

　　（1）高位钻孔抽放。根据7₁煤层地质条件和工作面冒落带、裂隙带高度，在风巷施工4个高位钻场，其中第1号钻场距工作面切眼150m，钻场间距为80m，钻场的规格为宽×高×深＝3.2m×2.3m×12m，采用锚索网支护，前6m施工30°上坡，后6m变平，平台段破7₁煤顶板4m。钻场采用风袖导风进行通风。每个钻场内布置2排共12个钻孔。钻孔施工采用TUX-150钻机，第一个钻场钻孔长120m，其它钻场钻孔长110m，钻头直径91mm，钻孔压茬距离30m，钻孔终孔平面间距控制在从上出口向下6～25m。孔底离煤层顶板高度控制在10～16m，钻孔间距0.6m。高位钻孔布置如图3所示。

 

　　

 

　　图3 高位钻孔布置示意图

 

　　通过实测分析，上排钻孔有效长度为90～95m，抽放CH₄浓度在21％～80％之间。下排钻孔有效长度为85m左右，抽放CH₄浓度在18％～62％之间。单孔瓦斯抽放量0.2～1.2m³/min，单个钻场抽放量3.5～7.2m³/min。

 

　　高位钻孔抽放关键是要摸清“两带”高度，合理布置钻场，选择合理的钻孔长度、直径和压茬距离。

 

　　（2）辅助边孔抽放。为解决工作面上隅角至回风巷方向20m范围切顶线瓦斯超限，在风巷每隔20m打与风巷夹角15°，Φ91mm钻孔，钻孔长40m，终孔控高在煤层顶板12m，如图4所示。

 

　　

 

　　图4 辅助边孔布置示意图

 

　　辅助边孔施工容易，单孔瓦斯抽放量为0.8～1.2m³/min，钻孔有效长度27～32m。

 

　　（3）风巷埋管抽放。为解决上隅角瓦斯超限，沿工用面风巷预埋1趟直径600mm管路，每隔15m安设同直径立管，立管高度超出风巷顶板0.4m，在站管上端打花眼，长度0.4m。如图5所示。

 

　　

 

　　图5 风巷埋管布置示意图

 

　　埋管抽放瓦斯流量11～20m³/min，抽放CH₄浓度18％～45％，抽放瓦斯量2.1～7.6m³/min，有效地解决了回风流和上隅角瓦斯超限。

 

　　（4）立孔埋管抽放。为加大抽放力度，根据“两带”高度，用TUX-75钻机在风巷沿垂直方向往顶底板打钻孔，顶板孔18m（与冒落带高度一致），底板孔1.0m（为便于固定立管），孔径为127mm。在钻孔内埋直径为108mm的套管，套管上到孔顶，下到孔底，顶部4.0m打花眼，底孔埋管后注浆固管。当工作面推地预埋的立管后，顶板冒落，立管的花管部分处在冒落的顶板与裂隙带之间的空间内。在立管的下部用三通与抽放管路连接，立孔间距20m。如图6所示。